P U S J A T A N. Setyo Hardono ABSTRAK

(1)

P

U

S

J A

T A

N

H A K C IP TA S ES U A I K ET EN T U A N D A N A T U R A N Y A N G B ER LA KU, CO PY D O KU M EN I N I D IG U N A K A N D I LI N G KU N G A N P U SJ A TA N D A N D IB U A T U N T U K PENA YANGAN DI WEBSITE, D AN TID AK UNTUK DIK OMER SILKAN. DOK

UMEN INI TID

AK DIKEND

ALIKAN JIKA DIDO

WNL

O

AD

PERILAKU AERODINAMIK GELEGAR DARI JEMBATAN BERUJI

KABEL “PALIBAJA” MENGGUNAKAN UJI STATIS TEROWONGAN

ANGIN DENGAN MODEL SECTION

(AERODYNAMIC BEHAVIOUR OF “ PALIBAJA” CABLE STAYED

BRIDGE GIRDER BY SECTION MODEL IN WIND TUNNEL STATIC

MODEL TEST)

Setyo Hardono Pusat Litbang Jalan dan Jembatan

Jl. A. H. Nasution 264 Bandung Email : [email protected]

Diterima : 12 Mei 2011; Disetujui : 04 Agustus 2011

ABSTRAK

Jembatan beruji kabel Palibaja berlokasi di Sukabumi Jawa Barat dan selesai dibangun oleh Puslitbang Jalan dan Jembatan tahun 2009. Tipe jembatan Palibaja adalah cable stayed dengan dua pilon. Panjang jembatan adalah 39 m + 162 m + 39 m sehingga total panjang 240 m dan lebar jembatan dari as ke as rangka adalah 3 m. Sistem lantai jembatan merupakan sistem rangka baja dan pelat lantai menggunakan orthotropik. Mengingat kekakuan sistem lantai yang kecil dan nilai parameter aerodinamik Pb adalah 1.38, maka menurut ketentuan British Standard BD 49/01 perlu

dikaji mengenai perilaku aerodinamik jembatan. Pada tahap awal, kajian aerodinamik ditekankan pada pengujian terowongan angin secara statis 2 dimensi. Pengujian dilakukan dengan berbagai kecepatan angin (15, 25, 40, 50 m/detik) dan sudut serang () diambil (-10, -5, 0, 5, 10, 15, 20 25 derajat). Hasil pengujian menunjukkan bahwa kondisi angin dengan sudut serang 0 derajat maka model jembatan mengalami negative lift. Permasalahan lain adalah lokasi negative stall terjadi pada sudut serang (a) sekitar 0 derajat, yang berarti problem ketidak linearan secara aerodinamik terjadi pada arah angin horizonal. Dengan kecepatan udara 15 m/detik hingga 50 m/detik, relatif tidak merubah besaran lift koefisien. Namun demikian karena pengujian masih bersifat statis maka diperlukan uji lanjutan berupa pengujian dua dimensi unsteady sehingga permasalahan aerodinamika dinamis dapat terjawab.

Kata Kunci : jembatan beruji kabel, aerodinamik, uji terowongan angin, negative lift, negative stall ABSTRACT

The Palibaja Cable Stayed Bridge located in Sukabumi, West Java has finished built in 2009. The type of the bridge is cable stayed bridge with two pylons. The length of the bridge is 39 m+162 m + 39 m (total length is 240 m) and have 3 m center to center width of truss deck. The superstructure of bridge system is steel truss with orthotropic deck system. Due to the low stiffness of the deck system and aerodynamic parameter value (Pb) which is 1.38, thus according British Standard BD 49/01, it is necessary to review the aerodynamic behavior of the bridge. In early stage, the aerodynamic study is emphasized on the two dimensional wind tunnel static testing. The testing was conducted with several wind speeds (15, 25, 40, 50 m/second) and angle of attack at 0 degree, causing negative lift on the model. The other problem is the location of negative stall at angle of attack at approximately 0 degree,

(2)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

which means that problem of aerodynamic nonlinearity occurs in horizontal wind direction. The 15 cm/sec. wind speed is up to 50 m/sec, relatively not changing the lift coefficient value. However, because of the test is static, thus it is necessary to conduct further study such as unsteadt two dimensional testing, so that the problem of dynamic could be solved.

Keywords : cable stayed bridge, aerodynamic, wind tunnel test, negative lift, negative stall

PENDAHULUAN Latar Belakang

Salah satu permasalahan utama dalam jembatan bentang panjang (contoh : Jembatan

Gantung Tacoma) adalah gagalnya jembatan

yang diakibatkan oleh beban kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi (Gambar 1). Permasalahan ini dikenal sebagai wind induced

vibration yang akhirnya menuju flutter

fenomena. Fenomena ini merupakan kombinasi akibat resonansi gaya aerodinamika tak lunak (unsteady aerodynamics) dan kelenturan struktur. Resonansi ini menjadikan struktur tidak stabil dan berakibat pada kegagalan struktur. Hingga saat ini, fenomena ini belum bisa diprediksi dengan baik, sehingga diperlukan pengujian terowongan angin dan juga kombinasi dengan perhitungan-perhitungan numerik yang kompleks (Fok Chin Hong, 2006).

Data Teknis Jembatan Palibaja

Data teknis jembatan beruji kabel Palibaja yang dibangun oleh Pusat Penelitian dan Pengembangan Jalan dan Jembatan (Pusjatan) menjadi obyek penulisan diuraikan sebagai berikut :

Nama : Jembatan Beruji Kabel

(Cable-Stayed) Palibaja

Tahun : 2009

Lokasi : Ruas jalan desa Parakan Lima – Bantar Jati , Kabupaten Sukabumi

Tipe : Cable-stayed

Struktur Atas : Rangka batang (truss) baja Pelat Lantai : Ortotropik pelat baja Pier Head : Beton bertulang

Perletakan : Perletakan sendi baja Bentang : Tiga bentang menerus Panjang : 39 m+162 m+39 m = 240 m Lebar : 0,15 m + 2,50 m + 0,15 m Gambar Jembatan Beruji Kabel Palibaja dapat dilihat dalam Gambar 2 dan Gambar 3.

Uji Terowongan Angin

Dalam British Standard BD 49/01 menyebutkan bahwa apabila parameter kerentanan aerodinamik jembatan, Pb, lebih

besar dari 1 maka jembatan tersebut harus diperhitungkan terhadap perilaku aerodinamis, seperti pada rumus 1.

Gambar 1. Jembatan Gantung Tacoma runtuh

karena beban angin a. Sebelum runtuh

(3)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

Gambar 2. Tampak samping jembatan Palibaja

Gambar 3. Foto Jembatan Palibaja

….…….. (1) Keterangan :

Pb : parameter kerentanan terhadap angin  : densitas udara

b : lebar keseluruhan lantai jembatan

m : massa per satuan panjang jembatan

Vr : kecepatan angin rata-rata

L : panjang maksimum jembatan yang relevan

fB : frekuensi alami jembatan dalam ragam lentur

Berdasarkan hasil pengujian di lapangan yang disajikan dalam Laporan Penelitian Kajian dan Pengawasan Uji Coba Skala Penuh Jembatan Cable Stayed Untuk Pejalan Kaki Tahap III (Hardono, 2009), diperoleh data  =

1.1644 kg/m3, b = 3.0 m, Vr = 15 m/detik, m =

942.5639 kg/m, L = 162 m, fB = 0.244 siklus/detik maka dengan menggunakan rumus (1) diperoleh nilai Pb = 1.38. Sehingga menurut

ketentuan BD 49/01 jembatan Pusjatan Palibaja perlu ditinjau terhadap perilaku aerodinamik.

Beberapa literatur menyebutkan bahwa jembatan beruji kabel lebih kaku dibandingkan dengan jembatan gantung. Hal ini disebabkan oleh sistem kabel yang bekerja pada lantai jembatan, dimana kabel pada jembatan gantung bersifat lebih non linear secara geometrik. Namun demikian, kekakuan lantai jembatan dibandingkan dengan panjang jembatan

mengakibatkan kerentanan terhadap

aerodinamis harus tetap ditinjau.

Salah satu kajian yang dapat memberikan informasi perilaku aerodinamis adalah melalui uji terowongan angin.

(4)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

KAJIAN PUSTAKA

Aksi aerodinamik jembatan beruji kabel tidak seburuk pada jembatan gantung kabel, karena adanya peningkatan kekakuan oleh adanya kabel tegang. Meski demikian, karena konfigurasi struktur bangunan atas menggunakan sistem truss baja, maka terdapat banyak kemungkinan timbulnya fenomena

flutter pada rangka karena bentuk bangunan

atas tidak menguntungkan secara aerodinamis

.

Beberapa teori telah dikembangkan sebagai model analisis matematis untuk memahami proses eksitasi angin, antara lain:

 Teori kemiringan negatif

(Negative-slope theory)

Bila jembatan bergerak ke bawah sementara berhembus angin horizontal (Gambar 4a), angin resultan membentuk sudut ke atas (sudut terpa positif) relatif terhadap jembatan.

Jika koefisien angkat CL, seperti diukur

dalam uji statis, menunjukkan variasi terhadap sudut angin α seperti digambarkan kurva A dalam Gambar 4b, sehingga, untuk amplitudo sedang, terdapat gaya angin yang bekerja ke bawah pada jembatan sementara jembatan bergerak ke bawah. Jembatan kemudian akan bergerak dengan amplitudo yang lebih besar dari yang semula tanpa adanya gaya angin ini. jembatan runtuh. Situasi yang serupa, meski lebih kompleks, akan terjadi untuk gerakan torsional atau puntir jembatan. Selanjutnya, komponen vertikal angin juga berbalik.

Sudut terpa angin menjadi negatif, dan gaya angkat menjadi positif, cenderung untuk menambah amplitudo pantulan. Dengan meningkatnya kecepatan, amplitudo akan meningkat secara tak hingga atau hingga jembatan runtuh. Situasi yang serupa, meski lebih kompleks, akan terjadi untuk gerakan torsional atau puntir jembatan.

 Teori pusaran angin (Vortex theory)

Teori ini mengatribusikan eksitasi aerodinamik dengan aksi gaya periodik yang memiliki tingkat resonansi tertentu dengan mode vibrasi natural jembatan. Pusaran-pusaran angin (vortex) yang terbentuk di sekeliling tepi foil udara (dek jembatan), berkembang pada kedua sisi secara bergantian, menyebabkan

kenaikan gaya periodik dan osilasi tegak lurus terhadap dek.

 Teori Kibaran (Flutter theory)

Fenomena kibaran, seperti yang terbentuk pada foil udara pesawat terbang dan berlaku pada jembatan panjang, disebabkan foil udara (dek jembatan) ditumpu sehingga ia dapat bergerak secara elastis dalam arah vertikal dan puntir, terhadap sumbu longitudinal. Angin menyebabkan gaya angkat yang bekerja eksentris. Ini menyebabkan momen puntir, yang akhirnya mengubah sudut terpa angin dan menambah gaya angkat. Reaksi ini berantai dan menjadi katastropis jika gerak vertikal dan torsional dapat timbul pada frekuensi kopel yang sama dan dalam fase hubungan yang sesuai.

Bleich menyajikan tabel untuk menghitung kecepatan kibaran vF untuk suatu jembatan, berdasarkan teori kibaran foil udara pelat datar. Tabel-tabel ini dapat diterapkan terutama untuk rangka-batang. Namun tabel ini sulit digunakan, dan terdapat ketidak-yakinan karena rentang validitasnya.

Gambar 4. Aksi Angin pada Jembatan Beruji

Kabel: (a) Gerakan jembatan ke bawah menimbulkan komponen angin ke atas; (b) Koefisien angkat CL

bergantung pada sudut arah angin α Selberg memberikan rumus berikut untuk kecepatan kibaran:

(5)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

….. (2) Keterangan:

= faktor distribusi massa untuk penampang spesifik = (bervariasi antara 0,6 dan 1,5, rata-rata 1,0)

= (rentang antara 0,01 dan 0,12) = massa per satuan panjang

= setengah lebar jembatan = frekuensi sirkular vertikal = frekuensi sirkular torsional = radius girasi massa

Selberg juga telah mempublikasi grafik, berdasarkan hasil uji, yang memungkinkan untuk menaksir kecepatan angin kritis untuk setiap tipe penampang lintang dalam bentuk kecepatan kibar. Teori pusaran angin dan kibaran diterapkan pada perilaku jembatan gantung dalam aksi angin. Kibaran cenderung dominan untuk jembatan-jembatan diperkaku rangka batang, sedangkan pusaran angin sering terjadi untuk jembatan-jembatan diperkaku gelagar.

Validasi stabilitas struktur jembatan Palibaja untuk kecepatan angin yang diharapkan terjadi pada loksai jembatan wajib dilakukan. Uji terowongan angin harus digunakan karena belum tersedianya prosedur analitis yang eksak. (Podolny, 1999)

Uji model jembatan dilakukan untuk memeriksa apakah jembatan dapat menjaga stabilitas pada kecepatan angin yang diperkirakan terjadi di lapangan. Hasil lain yang diharapkan yaitu perkiraan kecepatan angin maksimum yang membahayakan struktur.

Model yang akan dibangun adalah skala 1:10 dari ukuran jembatan sebenarnya. Bangunan jembatan model akan dipilih sedemikian sehingga untuk semua kondisi beban model akan mengalami tegangan yang sama dengan jembatan yang sebenarnya, dan perpindahan yang akan terjadi sesuai dengan skala model 1:10. Untuk mencapai kondisi ini,

kriteria ukuran model harus mengikuti hukum perbandingan terhadap prototipe sesuai dengan Tabel 1.

Pengujian pengukuran gaya dan momen memberikan penjelasan mengenai gaya yang bekerja pada jembatan. Pengujian dilakukan dengan variasi arah dan kecepatan udara yang disimulasikan sebagai fungsi angle of attack (sudut serang), kecepatan udara dan similaritas bilangan Reynolds. Pada analisis ini akan ditunjukkan daerah yang mengalami aliran yang menempel (attached flow) dan separasi (separated flow), serta sifat kestabilan beban aerodinamika pada jembatan. Hasil-hasil yang diperoleh bisa digunakan untuk dasar

pemahaman dan perhitungan beban

aerodinamika pada uji statis dari potongan model.

Tabel 1. Hukum Perbandingan (Laws of similitude)

Prototipe , terhadap Model

Parameter Simbol Skala _NumerikNilai

Panjang 50 Modulus Elastisitas 1 Massa Jenis 0,02 Regangan 1 Luas 2500 Volume 125000 Massa 2500 Perpindahan 50 Kecepatan Percepatan 1 Gaya 2500 Tegangan 1 Waktu Frekuensi

(6)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

Laboratorium Terowongan Angin

Uji terowongan angin dilakukan di fasilitas uji yang dimiliki oleh PT. Dirgantara Indonesia, yaitu di Nusantara Low Speed

Tunnel (NSLT). Tipe terowongan angin berupa closed circuit low turbulence wind tunnel yang

biasa digunakan untuk uji aerodinamika pesawat terbang.

Ukuran camber seksi uji wind tunnel adalah 1,47 m (lebar) x 1,1 m (tinggi) x 4,0 m (panjang) dan kecepatan angin pada seksi uji kosong bisa mencapai 60 m/detik. Kecepatan angin kondisi operasional 50 m/detik yang dihasilkan dari electric motor 230 kW.

Gambar 5. Terowongan angin di NLST PT.

Dirgantara Indonesia.

Kualitas udara di seksi uji mempunyai karakter sebagai berikut :

 Kecepatan maksimum : 86 m/detik

 Kecepatan maksimum operasi : 50 m/detik

 Bilangan Reynold (chord ref 300 mm) : 1,0 x 106

 Bilangan Mach (max) : 0,15

 Flow angularity : 0,2o

 Turbulensi level : 0,002

Secara teknis, kecepatan angin yang dihasilkan oleh terowongan angin NSLT (50 m/detik atau 180 km/jam) masih mencukupi untuk keperluan uji aerodinamik jembatan secara section model dan statis (Alan Pope, 1984). Dimana dari hasil uji lapangan 2009 (lihat Laporan Kajian dan Pengawasan Uji Coba Skala Penuh Jembatan Cable Stayed Untuk Pejalan Kaki Tahap III) didapat

kecepatan angin maksimum 30 m/detik. Mengingat ukuran camber yang relatif kecil maka model uji harus diskalakan terhadap ukuran sebenarnya.

Spesifikasi Model Uji

Model 2 dimensi Jembatan Palibaja terbuat dari aluminium dan mempunyai skala 1: 10. Model jembatan ini bersifat kaku karena sifat pengujian masih dalam uji statis dan

section model.

Dalam uji section model ditekankan pada karakteristik penampang jembatan akibat terpaan angin, sehingga stayed cable tidak dimodelkan dalam benda uji. Untuk pengujian dinamis dengan model penuh, maka kekakuan sistem struktur termasuk kabel harus dimodelkan dan diperhitungkan.

Model dilengkapi dengan 90 titik lubang tekanan berdiameter 0,3 mm yang terletak pada 3 potongan melintang jembatan. Model terbuat dari aluminium dan dicat berwarna “Black

Glossy appearance surface” untuk keperluan oil flow visualisation. Model dirancang dapat

menerima pembebanan angin hingga kecepatan 50 m/detik.

Gambar 6. Model Jembatan pada uji statis

terowongan angin

Dalam pengujian statis ini model dipasang secara vertikal (Gambar 6) karena pemegang benda uji berada di bagian atas dan bawah dari camber terowongan angin (Gambar 5). Disamping itu, bagian bawah camber

(7)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

terpasang external balance untuk mengetahui gaya total yang bekerja pada model akibat terpaan angin. Sedangkan bagian samping dari camber terowongan digunakan untuk melihat secara visual pada saat pengujian.

Instrumentasi dan Alat Ukur

Alat ukur tekanan pada model dan seksi uji digunakan Scani-valves dan electronically

pressure tranducers yang mempunyai akurasi

tinggi, linearity dalam orde 0,1% FS dan kapasitas sesuai dengan pengukuran di NLST, hingga 10 psi. Dimana untuk keperluan pengujian diperlukan 90 pressure taps dan alokasi untuk pengukuran tekanan tunnel

parameters, sehingga setiap kali mengukur

diperlukan 96 tekanan dibantu pengukur barometris dan sensor temperatur. Alat ukur gaya dan momen pada model digunakan

External Balance yang berfungsi juga sebagai

pemutar model.

Kemampuan External Balance sebagai alat ukur mempunyai kemampuan sebagai berikut:  Angkat (Lift) : 1500 N  Hambatan (Drag) : 400 N  Side Force : 600 N  Pitching Moment : 100 Nm  Rolling Moment : 100 Nm  Yawing Moment : 125 Nm

Dengan akurasi di bawah orde 0,02% Full Scale (FS).

Gambar 7 External Balance

Karakter aerodinamika pada benda uji juga bisa dilakukan analisis kuantitatif secara

realtime menggunakan :

 Flow visualization dengan oil flouresence

film dan lampu sinar ultra violet.

 Analisa hasil pengukuran online, baik melalui external balance ataupun dari multi manometer.

Teknik Pengujian dan Referensi Sistem

Pengujian 2 (dua) dimensi model jembatan disimulasi mendapatkan aliran udara laminar dengan besaran kecepatan yang seragam. Arah aliran ditentukan dengan memutar model jembatan dengan simulasi sudut serang (angle of attack). Model berdiri dan diputar di atas external balance dengan besaran sudut serang (angle of attack) yang terkalibrasi. Dalam perhitungan pengujian wind

tunnel saat ini digunakan kecepatan angin

berdasarkan free stream model dari hasil kalibrasi.

Nilai gaya dan momen yang merupakan hasil integrasi tekanan statis pada model mewakili gaya 2 dimensi, dimana lokasi titik ukur tekanan berada jauh dari dinding seksi uji. Sehingga pengaruh dinding dan ke 3 dimensionalan model diminimalkan. Pada analisis ini, pengukuran tekanan digunakan sebagai pendetilan gaya aerodinamika yang bekerja pada model. Besaran tekanan dinondimensionalkan sebagai berikut:

………..(3) keterangan :

Cp : koefisien tekanan

Ps : tekanan statis pada model (N/m2)

Pref : tekanan statis referensi pada seksi uji (N/m2)

 : densitas udara pada seksi uji (kg/m3)

V0 : kecepatan udara bebas (free stream)

yang tidak terganggu oleh model dan dinding seksi uji (m/s2)

(8)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

Lokasi titik tekanan pada model di non dimensionalkan dengan jarak dari depan dibagi lebar jembatan (300 mm).

Gaya dan momen yang terukur oleh

external balance mengidentifikasikan gaya

aerodinamis 3D potongan jembatan dengan pengaruh dinding. Tendensi dan data kualitatif karakteristik aerodinamika bisa mewakili, namun besaran gaya dan momen merupakan paduan gaya pada jembatan dan pengaruh dinding.

Gambar 8. Gaya-gaya aerodinamik yang bekerja

pada penampang jembatan

Besaran gaya dan momen di

nondimensionalkan berikut:

CL = koefisien gaya angkat (lift) = lift / (0,5 x x Vo2 xS)

CD = koefisien gaya hambat (drag) = drag / (0,5 x x Vo2 x S)

CN = koefisien gaya normal = normal force / (0,5 x x Vo2 x S)

CT = koefisien gaya tangensial = tangensial force / (0,5 x x Vo2 x S)

CY = koefisien gaya samping = side force / (0,5 x x Vo2 x S)

Cm = koefisien momen puntir = momen puntir / (0,5 x x Vo2 x S x c)

S = referensi luasan model uji

c = referensi panjang yaitu lebar lantai

jembatan

CL, CD dan Cm0.25 adalah penting untuk mengetahui karakter aerodinamik dan kestabilan aliran pada benda uji. Arah gaya mempunyai referensi terhadap arah datang aliran udara (angin). CN, CT dan Cm0.5 mempunyai arti penting bagi struktur jembatan, dimana gaya-gaya mempunyai referensi

terhadap axis jembatan (diasumsikan di tengah potongan jembatan).

Test Plan

Untuk memenuhi objective pengujian, maka dilakukan skema pengujian sebagai berikut :

 Pengujian sedapat mungkin memenuhi kriteria similaritas pengujian 2Dimensi dimana memenuhi perubahan bilangan Reynolds dan mencakup daerah yang kemungkinan terkena angin dalam fungsi sudut serang daerah linear hingga stall

 Jumlah titik tekanan setiap polar = 50 – 90 point, yang harus diintegrasikan untuk memperoleh gaya- gaya aerodinamis. Namun karena keterbatasan titik uji, maka benchmarking dari hasil pengujian force diperlukan.

 Kecepatan angin yang digunakan adalah [ 15, 25, 40, 50] m/s, untuk pengujian tekanan digunakan kecepatan angin 40 m/s. Alpha swept [ -10,-8, -6,-4, -2, 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26] untuk force measurements. Untuk pengujian tekanan jumlah dibatasi dan berfungsi untuk analisa gaya yang lebih detil pada model uji.

Flow Visualisasi dilakukan untuk melihat

perubahan dan perbedaan 3 kondisi yang berbeda, yaitu -10, 0 dan 10.

HIPOTESIS

Pengujian terowongan angin secara statis dapat memberikan gambaran mengenai perilaku aerodinamis jembatan beruji kabel Palibaja.

DATA HASIL PENGUJIAN Visualisasi Aliran Udara

Visualisasi aliran pada permukaan model uji dilakukan dengan 2 metoda, yaitu :

 Oil Flouresence Film

Memvisualisasikan aliran di inner layer

(9)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

dan indikasi kestabilan/ ketidak stabilan aliran akan terlihat dengan baik

 Tufts (benang)

Memvisualisasikan aliran di outer layer

boundary layer, dimana karena wahana

cukup berat, maka terjadinya massive

separation akan tervisualisasikan.

Parameter yang menjadi variabel utama adalah : kecepatan udara dan arah angin (angle

of attack/ sudut serang). Secara umum terdapat

3 area sudut serang, yaitu:

 Sudut serang (α) < -1 derajat

 Sudut serang -1 < α < 8 derajat

 Sudut serang α > 8 derajat

Dalam pengujian kondisi di atas diwakili dengan sudut serang -10, 0, dan 10 derajat seperti ditunjukkan pada Gambar 9,10 dan 11.

Gambar 9. Sudut serang -10o, V = 40 m/s

Gambar 10. Sudut serang 0o, V = 40 m/s

Gambar 11. Sudut serang 10o, V = 40 m/s

Pada gambar tersebut memperlihatkan bagian atas jembatan dan menujukkan sebagai berikut:

 Arah aliran dari kiri ke kanan

 Pada daerah yang berlubang aliran udara masih menempel (attached flow region) dan pada bagian yang terhalang oleh pelat buhul maka daerah tersebut diikuti oleh daerah separasi.

 Daerah bagian kanan, merupakan daerah

masive turbulence separation.

 Semua sudut serang menunjukkan pola aliran sama, namun berbeda intensitasnya. Makin tinggi sudut serang lokasi separation

line semakin kebelakang.

Pengaruh kecepatan dengan sudut serang tetap pada pengujian jembatan ditunjukkan pada Gambar 12, 13, dan 14 berikut.

(10)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

Gambar 13. Kecepatan angin, V = 25 m/s

Gambar 14. Kecepatan angin, V = 40 m/s

Gambar – gambar diatas menunjukkan bahwa makin kencang terpaan angin maka daerah sisi kanan (massive turbulence separation) makin panjang.

Daerah attached dan separated flow ditunjukkan juga dengan jelas pada gambar berikut:

Gambar 15. Gambar perubahan arah kibaran

benang (tufts) di bagian atas jembatan.

Gambar 16. Pola kibaran benang (tufts) di bagian

bawah jembatan dengan sudut serang – 10o

Gambar 17. Pola kibaran benang (tufts) di bagian

bawah jembatan dengan sudut serang 0o

Total Load

Total load yang diamati dalam pengujian

ini diuraikan sebagai berikut :

 Gaya aerodinamika CL dan CD serta Cm0.25 (momen di aerodynamic center).

 Gaya aerodinamika CN dan CT yang diperlukan untuk penghitungan beban struktur. Benang berkibar berlawan arah dgn arah aliran udara Benang berkibar searah dgn arah aliran udara

(11)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

 X-Cp (center pressure location) Koefisiean gaya angkat (CL)

Pada Gambar 18 diperlihatkan besarnya koefisien angkat/lift coefficient (CL) dan

perubahannya terhadap sudut serang (angle of

attact). Sumbu X menggambarkan sudut serang

sedangkan sumbu Y menggambarkan koefisien angkat yang terjadi. Kecepatan angin diberikan mulai 15 m/s, 25 m/s dan 40 m/s.

Gambar 18. Koefisien gaya angkat (CL) Koefisiean gaya hambat (CD)

Pada Gambar 19 ditunjukkan besaran gaya hambat (seret) aerodinamik/drag

coefficient (CD), dan perubahannya terhadap sudut serang (angle of attact). Sumbu X menggambarkan sudut serang sedangkan sumbu Y menggambarkan koefisien seret yang terjadi. Kecepatan angin diberikan mulai 15 m/s, 25 m/s dan 40 m/s.

Gambar 19. Koefisien gaya hambat (CD)

Koefisiean Momen (Cm)

Kestabilan aerodinamika bisa dilihat dari grafik dCm/d. Gambar 20 menunjukkan besaran kestabilan aerodinamik/moment

coefficient (Cm), dan perubahannya terhadap sudut serang (angle of attact). Sumbu X menggambarkan sudut serang sedangkan sumbu Y menggambarkan koefisien kestabilan momen yang terjadi. Kecepatan angin diberikan mulai 15 m/s, 25 m/s dan 40 m/s.

Gambar 20. Koefisien momen (Cm)

Koefisiean Beban (CN, CT)

Pada Gambar 21 dan Gambar 22, ditunjukkan. Besaran beban (load) karena angin per satuan panjang jembatan.

Sumbu X menggambarkan sudut serang sedangkan sumbu Y menggambarkan koefisien beban normal (CN) dan koefisien beban

tangensial (CT) yang terjadi. Kecepatan angin

diberikan mulai 15 m/s, 25 m/s dan 40 m/s.

(12)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

Gambar 22. Koefisien beban (CT)

ANALISIS DAN PEMBAHASAN

Pembahasan terhadap hasil pengujian terowongan angin dengan berbagai sudut serang dan kecepatan angin disajikan dalam paragraf berikut.

Visualisasi Aliran Udara

Oil Fluoresence Film

Pada Gambar 9 sampai Gambar 14 di atas menunjukkan bahwa kecepatan makin tinggi menunjukkan batas separation line terlihat makin jelas, dan terbentuknya pola aliran lebih cepat terbentuk. Selain itu terlihat adanya perubahan kekuatan vortex pada batas model dan dinding.

Tufts

Kibaran benang (tufts) pada sisi bagian bawah jembatan bisa dilihat pada Gambar 14 sampai Gambar 16 di atas, dimana pada sudut serang yang lebih tinggi, maka separation area di bagian bawah jembatan makin ke depan (bekerja terbalik di bandingkan bagian atas jembatan).

Meskipun dari pengukuran external

balance tidak terlihat perbedaan gaya yang

signifikan, hasil visualisasi dengan tuft

menunjukkan kejelasan daerah separation area yang tidak hanya sebatas pada aliran permukaan, namun juga di atas permukaan yang ditunjukkan dengan kibaran benang (terlihat dari video).

Koefisiean gaya angkat (CL)

Gambar 18 memperlihatkan bahwa kondisi angin dengan sudut serang < 5 derajat, mengalami negative lift, yang ditunjukkan oleh koefisien CL bernilai negatif, artinya angin menambah beban ke bawah (searah dengan beban berat) dan berangsur menjadi positive lift (terangkat) pada sudut serang > 5 derajat.

Permasalahan lain adalah, bahwa lokasi

negative stall terjadi pada sudut serang () sekitar 0 derajat, artinya problem ketidak linearan secara aerodinamik terjadi pada arah angin horizontal. Dengan kecepatan udara 15 m/s hingga 50 m/s, relatif tidak merubah besaran koefisien lift.

Koefisiean gaya hambat (CD)

Gambar 18 menunjukkan besaran aerodinamik drag, dimana minimum drag terjadi pada sudut 2 derajat. Besaran induced

drag, atau drag akibat pertambahan lift relatif

kecil. Selain itu, pada kecepatan lebih rendah data lebih berfluktuasi. Hal tersebut bisa dipahami karena dominasi massive separation.

Koefisiean Momen (Cm)

Kestabilan aerodinamika bisa dilihat dari grafik dCm/d. Gambar 19 memperlihatkan bahwa dengan sudut serang besar maka bersifat inherent, dimana daerah stabil adalah pada sudut serang -4 <  < 6 derajat.

Koefisien Beban (CN, CT)

Untuk mengetahui beban yang terjadi pada jembatan, maka perlu dikaji besaran CN dan CT, yang menggunakan body-axis, sesuai dengan koordinat umum desain struktur sipil, seperti pada Gambar 20 dan Gambar 21. Sebagai contoh, besaran beban normal (Normal

load) karena angin per satuan panjang jembatan

dengan bentuk jembatan sebagaimana model dapat dihitung sebagai berikut :

N/m (4) keterangan :

LN : besaran beban akibat terpaan angin (N/m)

(13)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

CN : koefisien aerodinamik arah normal

V0 : kecepatan udara bebas (free stream)

yang tidak terganggu oleh model dan dinding seksi uji (m/s2)

Jika lebar jembatan Pusjatan Palibaja adalah 3.0 m dan terkena angin 35 m/detik dari samping dengan arah ( = 0) dan panjang jembatan 120 m maka beban akibat angin dapat dilihat pada Tabel berikut.

Tabel 2 Gaya pada jembatan akibat terpaan angin

Arah Gaya Gaya/panjang (N/m) Gaya (L = 120 m) (kN) F Normal 2250 270.0 F Tangensial 2325 279.0

KESIMPULAN DAN SARAN

Secara umum tujuan pengujian telah terpenuhi. Pengujian pengukuran gaya dan momen memberikan penjelasan mengenai gaya yang bekerja pada jembatan. Pengujian dilakukan dengan variasi arah dan kecepatan udara yang disimulasikan sebagai fungsi angle

of attack (sudut serang), kecepatan udara dan

similaritas bilangan Reynolds. Pada analisis ini telah ditunjukkan daerah yang mengalami aliran yang menempel (attached flow) dan separasi (separated flow), serta sifat kestabilan beban aerodinamika pada jembatan. Hasil-hasil yang diperoleh bisa digunakan untuk dasar

pemahaman dan perhitungan beban

aerodinamika pada uji statis dari potongan model.

KESIMPULAN

Beberapa sifat aerodinamika pada jembatan bisa disimpulkan sebagai berikut :

1. Pemahaman fisis seperti pola aliran udara, parameter aerodinamik (CL, CD, CN, CT)

terlihat dengan jelas berdasarkan hasil pengujian.

2. Pada kondisi angin dengan sudut serang ≤ 5o, mengalami negative lift, artinya angin

menambah beban ke bawah (searah dengan beban berat) dan berangsur menjadi

positive lift (terangkat) pada sudut serang >

5o.

3. Massive separated flow mendominasi karakteristik aliran udara pada jembatan, namun demikian scale turbulensi masih dalam orde kesimilaran pada skala turbulensi, sehingga kecepatan udara yang mewakili rentang bilangan Reynolds (Re) = 2.5 s/d 7.10 x 105 tidak menunjukkan perubahan yang signifikan secara kuantitatif.

4. Pada sudut serang ( = -1) derajat merupakan  negative stall, terdapat indikasi stall di  = 8 derajat, namun pada

 hingga di atas 26 derajat tidak menunjukkan penurunan lift.

5. Secara aerodinamis, antara sudut serang -1 <  < 8 derajat merupakan daerah linear 

slope dan ditunjukkan sebagai daerah

stabil. Di luar daerah tersebut bersifat

indeferent.

SARAN

Berdasarkan hasil pengujian di atas terdapat saran berupa usulan studi lanjutan yang meliputi :

1. Mengingat pada kondisi angin dengan sudut serang ≤ 5o

mengalami negatif lift maka diperlukan adanya analisis tambahan terhadap beban angin pada jembatan. 2. Diperlukan pengujian wind tunnel 2

dimensi unsteady diperlukan untuk menjawab permasalahan dinamis jembatan akibat terpaan angin.

3. Untuk keperluan evaluasi lebih mendalam terhadap perilaku aerodinamika diperlukan adanya :

 Perlunya penandaan griding

separation line pada model

 Analisis perhitungan dengan CFD (Computational Fluid Dynamic)

untuk membantu perhitungan

interpolasi data pengukuran tekanan yang jumlahnya sangat terbatas serta

(14)

P

U

S

J A

T A

N

UMEN INI TID

AK DIKEND

WNL

O

AD

meningkatkan pemahaman aliran aerodinamika. Analisis kemudian dibandingkan dengan perhitungan

besarnya gaya berdasarkan

pengukuran tekanan.

4. Untuk pengujian dinamis dengan model penuh, maka kekakuan sistem struktur termasuk kabel harus dimodelkan dan diperhitungkan.

DAFTAR PUSTAKA

Alan Pope, William H. Rae, 1984, Low Speed

Wind Tunnel Testing, Second edition,

New York: Willey Interscience. Badan Penelitian dan Pengembangan, PU.

2005. RSNI standar pembebanan

jembatan. Jakarta: Departemen PU

British Standard Institution. 2001. Design rules

for aerodynamics effects on bridges.

British Standard BD 40/01. London: BSI.

Fok Chin Hong.2006. Aerodynamic

characteristics of long-span twin deck

bridges. Theses. Hongkong

University of Science and Technology. http//lbxml.ust.hk/th/th_search.pl?smo de+VIEWBYCALLNUM?skeywords =CIVL%202006%20FOK>

Hardono, S. 2000. Kajian dan pengawasan uji

coba skala penuh jembatan cable stayed untuk pejalan kaki tahap III.

Laporan Penelitian. Bandung: Pusjatan.

Podolny, W.Jr. 1999. “Cable-suspended bridges”. Structural steel designer’s

handbook. 3rd edition. New York: McGraw-Hill.

Walther, R. et al. 1999. Cable-stayed bridges. London: Thomas Telford.